天线设计和仿真
SIMULIA 电磁仿真实现高效天线设计
仿真如何助力射频天线设计?
天线设计的核心在于选择适合的天线,以满足带宽、极化和方向性等具体规格要求。通过天线仿真,工程师可以找到最优化的天线设计,并揭示天线在实际环境中的安装性能及干扰情况。
天线有哪些类型?
天线是所有连接设备和无线系统的基础。从智能手机、计算机、电子植入物到工业机械、车辆、列车、飞机、航天器——几乎所有现代设备都配备了支持通信协议(如 WiFi、蓝牙和 5G)的天线。未来趋势(如 6G 和卫星互联网巨型星座)的发展,对全新天线设计和安装提出了更高的要求。
此外,天线也广泛应用于通信以外的领域:雷达系统:通过发射和接收无线电波,实现环境数据的收集;• 医疗设备:用于通信(如可穿戴监测器)、成像(如微波成像)、治疗(如射频 (RF) 热疗)和充电(如植入物);• 无线能量传输与能量采集:作为整流天线系统(Rectenna)的一部分,将射频信号转化为电流。这类系统是射频识别(RFID)和近场通信(NFC)的基础技术。
天线设计
天线的设计至关重要,需要满足中心频率、带宽、效率以及方向性/增益等规格。然而,天线的安放位置同样影响深远:天线所在的平台会显著影响其安装后的性能表现。在复杂的现实环境中,传播特性可能引发信号覆盖问题,或者导致无线电系统之间的临近干扰。
天线仿真
仿真贯穿于天线开发与集成的全过程。它不仅可以生成可行的天线设计,还能优化设计以满足规格要求,同时深入分析其安装性能和射频暴露情况。SIMULIA 天线综合和电磁仿真工具为工程师提供了适用于各类应用的专业工具。
无线电天线系统
除了天线本身,SIMULIA电磁仿真工具还可用于设计其他关键组件,如:馈源、调谐电路、滤波器、多路复用器、波导管。有关更多信息,请参阅“微波和射频仿真”。
天线设计和仿真工作流程
- 选择
- 设计向导
- 3D 仿真
- 阵列仿真
- 阻抗匹配
天线选择
任何无线系统的成都始于为其应用选择合适的天线。由于天线种类繁多,且文献中不断涌现新的设计,找到最适合特定任务的天线可能颇具挑战。SIMULIA Antenna Magus是一款功能强大的工具,可帮助用户搜索并探索天线数据库,从而快速找到最佳解决方案。

天线设计向导
SIMULIA Antenna Magus设计向导能够自动推荐符合所需规格和尺寸的天线类型,并构建能够调谐至指定频率的仿真模型,为您提供即时可用的设计方案。其他SIMULIA综合工具,如CST Studio Suite、WASP-NET和Fest3D,均提供了强大的设计自动化功能,专为专业天线及馈源应用而设计。

3D 天线仿真
用户可以在 CST Studio Suite中 以 3D 形式修改和分析天线设计。可以添加馈源等其他元件并修改材料。优化工具将帮助您对天线性能进行微调,综合考虑耦合和寄生效应。 用户还可计算标准的天线关键性能指标 (KPI),例如远场辐射图、方向性、增益和 S 参数,并为如 5G 等特定应用定义专门的 KPI。以及为 5G 等应用专门定义的 KPI。此外,近场数据亦可计算并作为天线放置仿真的源导出。

天线阵列仿真
用户可通过 CST Studio Suite 的阵列向导构建天线阵列模型。设计流程中的每一个阶段——从单个元件的设计,到优化为无限阵列,再到最终的有限3D阵列仿真——都可以无缝结合,形成一个集成化的工作流程,帮助用户快速构建阵列模型。即使是规模庞大的阵列,也能通过高性能仿真迅速完成分析。

天线阻抗匹配
天线通常作为更大模块的一部分运行,馈源、天线罩、接地面等元件的邻近效应会影响其性能。 匹配电路可以校正由天线安装所引起的阻抗失配,而仿真技术则可以帮助用户找到最佳的调谐电路值,以实现最优性能。

- 高功率馈源组件
- 安装性能
- 干扰效应
- 认证
高功率馈源组件
对于高功率真空应用,尤其是在太空领域,次级电子倍增效应和电晕效应有可能会损坏馈源。 仿真能够揭示潜在的故障模式,包括热效应,以确保天线在发射后能够安全稳定运行。

安装天线性能分析
平台影响对天线性能同样至关重要 。天线所安装的平台会反射、衍射或吸收无线电波,进而影响天线的整体性能,而天线与平台金属体之间的耦合效应则可能导致天线失谐。无论是小巧复杂的设备,如笔记本电脑或智能手机,还是如汽车、飞机或手机信号塔等超大平台,仿真都能够精确计算安装性能并帮助找到理想的天线安放位置。

多设备现场干扰分析
用户可以仿真复杂的环境,如街道、办公室和工厂,以计算真实场景中的多路径传播和预期信号覆盖情况。同时,多设备现场干扰和天线灵敏度劣化等问题也能通过仿真得到有效分析与缓解。CST Studio Suite的干扰任务功能能够分析天线系统间的干扰,识别潜在的EMI风险,并帮助工程师快速采取措施消除这些风险。

通过仿真进行认证
任何具有发射功能的设备,都必须通过多项安全法规的认证,其中涉及电磁干扰 (EMI)、人体射频暴露等方面。 任何具有发射功能的设备,都需要通过安全法规的认证,这些法规电磁干扰 (EMI)、人体射频暴露等方面。仿真能够揭示真实人体模型内部的场型,更高效地计算特定吸收率 (SAR) 和其他射频暴露 KPI,相较于传统测量方法,能够显著提高计算效率。
联邦通信委员会 (FCC) 等机构接受已经接受仿真数据作为众多认证目的中的有效替代,以避免了繁琐的物理测量过程。 与传统的物理原型相比,使用仿真技术构建和测试虚拟天线原型,不仅能够节省大量时间和成本,还能在数小时或数天内获得结果,而无需等待数周或数月。一旦发现问题,可以迅速调整并重新进行仿真,显著减少后期测试阶段的风险和高额成本。

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关于天线设计软件的常见问题答疑
偶极子天线通常被认为是最简单的天线类型,包含两个长度相等、沿同一轴线排列的导电元件。偶极子天线工作频率附近带宽较窄,且这一带宽由天线的长度决定。。典型的偶极子天线长度为半个波长。
然而,由于边缘效应,其有效长度实际上长于半个波长,导致谐振频率稍低于物理长度所预测的值。偶极子天线通过在其中心施加信号,使元件辐射的电磁场主要垂直于偶极天线轴线。在全向轴平面内,半波长偶极子天线的辐射图呈现出特征性的环形辐射模式。
天线在引导电磁信号与自由空间无线电波传播之间提供了接口。天线通常提供一种导电结构,馈入的信号可以从中分离并在空间中传播。相同的天线也能够接收电磁场,并在终端输出电压与电流。辐射图案决定了天线的优先辐射方向。
天线设计是电气工程设计中一个复杂且具有挑战性的领域。这种复杂性源于理论原理、数学建模与实际工程考虑之间的紧密联系。设计一款天线天线需要深入了解电磁理论、传播特性和特定应用要求。然而,借助专业的天线设计软件,天线设计工程师的工作将变得更加轻松。
Antenna Magus是一款能够加快天线设计与建模流程的软件工具。它拥有超过350种天线的数据库,能简化选择最适合的天线模型,以满足设计需求。
从满足基本天线需求开始……
Antenna Magus供经过验证的可靠初步设计,这些设计已与参考数据进行过比对。每种天线都经过详细研究,设计算法经过多轮测试与验证,确保其在广泛的目标组合中表现良好。
工程师可以通过一键化操作,根据增益、波束宽度、带宽和阻抗等特定需求设计天线。
“性能估算”功能可以快速分析设计的天线,帮助判断某一设计是否适合最终方案。
……到为3D电磁仿真定义天线模型
Antenna Magus的导出功能为天线设计节省了大量时间,减少了对复杂仿真软件的依赖。。这样,工程师能够快速验证新概念与设计创意。“即用型”参数化仿真模型支持用户更高效地利用受支持的 3D 电磁场 (EM) 仿真工具。通过组合不同的模型,用户可以加速新拓扑的实现。